從數(shù)字城市到智慧城市的理論與實(shí)踐

李德仁，邵振峰，楊小敏

(武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079）

從數(shù)字城市到智慧城市的理論與實(shí)踐

李德仁，邵振峰，楊小敏

(武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079）

從總結(jié)數(shù)字城市建設(shè)和發(fā)展的成就出發(fā)，基于智能傳感器網(wǎng)和對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的浪潮，探討了數(shù)字城市發(fā)展到智慧城市的必然趨勢(shì)和基礎(chǔ)理論，實(shí)踐了智慧城市的相關(guān)典型應(yīng)用，并展望了未來智慧城市的美好前景。

數(shù)字城市；智能傳感器網(wǎng)絡(luò)；對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市

1 數(shù)字城市的發(fā)展及成就

數(shù)字城市是城市地理信息和其他城市信息相結(jié)合、并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的、能供用戶訪問的一個(gè)將各個(gè)城市和城市外的空間連在一起的虛擬空間，是數(shù)字地球的重要組成部分，是賽博空間的一個(gè)子集。數(shù)字城市為城市規(guī)劃、智能化交通、網(wǎng)格化管理和服務(wù)、基于位置的服務(wù)、城市安全應(yīng)急響應(yīng)等創(chuàng)造了條件，是信息時(shí)代城市和諧發(fā)展的重要手段。數(shù)字城市發(fā)展至今取得了很多成就，總結(jié)如下：

1.1 從二維城市到三維城市的跨越

地圖是傳統(tǒng)的表達(dá)、傳輸和研究地理信息的方式及載體，數(shù)字地球和數(shù)字城市的出現(xiàn)打破了這一傳統(tǒng)觀念，使人類在描述和分析地表空間事物的信息上，獲得了從二維到三維的突破性飛躍。三維城市模型是城市規(guī)劃的重要手段，目前已經(jīng)用于軍事、微氣候研究、空氣污染分析、無線電公司的定位設(shè)計(jì)、無線電信號(hào)傳播、噪音傳播分析和社會(huì)生態(tài)研究等各個(gè)領(lǐng)域。如圖1所示的城市三維模型表達(dá)方式，a為泰州市地上三維圖（人民公園）；b為武漢市地上地下三維圖。

圖1 城市三維模型

1.2 面向服務(wù)的新一代城市數(shù)字規(guī)劃平臺(tái)

數(shù)字城市的一個(gè)主要應(yīng)用就是城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)，數(shù)字規(guī)劃平臺(tái)是服務(wù)于數(shù)字城市的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。GIS與AutoCAD的一體化，可以實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的新一代城市規(guī)劃信息共享平臺(tái)，包括支持城市應(yīng)急響應(yīng)的數(shù)字規(guī)劃平臺(tái)和提供物流配送、房地產(chǎn)銷售等支撐的三維規(guī)劃平臺(tái)。

1.3 基于數(shù)字城市的城市網(wǎng)格化管理與服務(wù)

網(wǎng)格化管理是指采用網(wǎng)格技術(shù)，以單元網(wǎng)格為基本單位，將城市行政區(qū)域劃分成若干個(gè)網(wǎng)格狀的單元，單元網(wǎng)格明確各級(jí)地域責(zé)任人為轄區(qū)城市管理責(zé)任人，由城市管理監(jiān)督員對(duì)所分管的網(wǎng)格單元實(shí)施全時(shí)段監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的分層、分級(jí)、全區(qū)域管理。城市網(wǎng)格化管理與服務(wù)系統(tǒng)通過綜合運(yùn)用數(shù)字城市相關(guān)技術(shù)，使城市管理無縫化、精細(xì)化、人性化、科學(xué)化、透明化、高效化和客觀公正化。

1.4 實(shí)現(xiàn)了城市實(shí)景影像的可視化和可量測(cè)

數(shù)字地球影像體系要求提供從遙遠(yuǎn)的太空到地面cm級(jí)的地球感知能力。移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（MMS）通過在機(jī)動(dòng)車上集成GPS（全球定位系統(tǒng)）、CCD（影像、視頻系統(tǒng)）、INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）或航位推算系統(tǒng)（電子羅盤/里程計(jì)）等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備，可以在車輛高速行進(jìn)中，快速采集道路及道路兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和城市實(shí)景影像 (Digital Measurable Images)?？梢暋⒖闪繙y(cè)、可挖掘的實(shí)景影像地圖所包含的豐富地理、經(jīng)濟(jì)和人文信息是聚合用戶數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)空間信息社會(huì)化服務(wù)的全新數(shù)據(jù)源[4]。

1.5 基于數(shù)字城市的空間信息共享與服務(wù)

數(shù)字城市是城市空間信息集成的平臺(tái)，基于數(shù)字城市的空間信息共享與服務(wù)包括利用Web Service技術(shù)對(duì)各種空間信息資源進(jìn)行注冊(cè)和提供在線服務(wù)。對(duì)各種服務(wù)資源進(jìn)行組合，可以加工提取更高級(jí)的信息，提供更智能化的服務(wù)。圖2為數(shù)字泰州公共信息服務(wù)系統(tǒng)。

圖2 數(shù)字泰州公共信息服務(wù)系統(tǒng)

2 從數(shù)字城市到智慧城市

數(shù)字地球以空間位置為關(guān)聯(lián)點(diǎn)整合相關(guān)資源 (以地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成各類數(shù)據(jù)資源)，實(shí)現(xiàn)了“秀才不出門，能知天下事”[3]。物聯(lián)網(wǎng)將與水、電、氣、路一樣，成為地球上的一類新的基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)今世界，“數(shù)字地球”正向“智慧地球”轉(zhuǎn)型，“智慧城市”孕育而生。世界將繼續(xù)“縮小”、“扁平化”和“智慧”，我們正在邁入全球一體化和智慧的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和地球的時(shí)代。數(shù)字地球把遙感技術(shù)、地球信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展等社會(huì)需要聯(lián)系在一起，為全球信息化提供了一個(gè)基礎(chǔ)框架。而我們將數(shù)字地球與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)“智慧的地球”。

2.1 智慧城市的出現(xiàn)

“智慧城市”的概念，最早起源于“智慧的地球”這一愿景。2008年11月，在紐約召開的外國關(guān)系理事會(huì)上，創(chuàng)立于1911年的目前全球最大信息技術(shù)和業(yè)務(wù)解決方案提供商國際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）提出了“智慧的地球”這一理念。

所謂“智慧的地球”，實(shí)際上就是在各行各業(yè)中充分應(yīng)用新一代的IT技術(shù)，把感應(yīng)器嵌入和裝備到全球各個(gè)角落，將電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路等各種物體普遍連接，形成所謂“物聯(lián)網(wǎng)”，再通過“互聯(lián)網(wǎng)”將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來，使人們能以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，實(shí)現(xiàn)全球的“智慧”狀態(tài)。

作為“智慧的地球”的重要組成部分，“智慧城市”無疑是最關(guān)系民生的內(nèi)容之一。智慧城市是數(shù)字城市與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的產(chǎn)物，包含智慧傳感網(wǎng)、智慧控制網(wǎng)和智慧安全網(wǎng)。智慧城市與智慧電網(wǎng)、智慧油田、智慧企業(yè)等，都是構(gòu)成智慧地球的重要組成部分。智慧城市的理念是把傳感器裝備到城市生活中的各種物體中形成“物聯(lián)網(wǎng)”，并通過超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的整合，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市與城市系統(tǒng)整合。通過智慧城市，可以實(shí)現(xiàn)城市的智慧管理及服務(wù)。簡(jiǎn)而言之，“智慧城市=物聯(lián)網(wǎng)+互聯(lián)網(wǎng)”。

2.2 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，它們分別完成對(duì)信息的采集、傳輸和處理。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過某種通信協(xié)議連接起來形成的測(cè)控系統(tǒng)，與通常的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，具有更好的容錯(cuò)性、實(shí)時(shí)性和對(duì)環(huán)境變化的自適應(yīng)能力。隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信（包括無線和移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等）技術(shù)的進(jìn)步，未來的傳感器將構(gòu)成價(jià)廉、大中小型相結(jié)合、無處不在的、接觸或非接觸的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。

智能傳感器網(wǎng)絡(luò)是使智能傳感器處理單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,從而構(gòu)成一個(gè)分布式智能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在該網(wǎng)絡(luò)中,傳感器成為一個(gè)可存取節(jié)點(diǎn),在該網(wǎng)絡(luò)上可以對(duì)智能傳感器數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問、對(duì)功能進(jìn)行在線編程。2009年8月7日，溫家寶總理在中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時(shí)指出，傳感網(wǎng)是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了物與物的互聯(lián)而被稱作“物聯(lián)網(wǎng)”。

廣義空間信息網(wǎng)格[1]是指在網(wǎng)格技術(shù)支撐下空間數(shù)據(jù)獲取、更新、傳輸、存儲(chǔ)、處理、分析、信息提取、知識(shí)發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的新一代空間信息系統(tǒng)。廣義空間信息網(wǎng)格由智能傳感器網(wǎng)絡(luò)、基于網(wǎng)格計(jì)算的多傳感器數(shù)據(jù)-信息-知識(shí)的智能處理系統(tǒng)。其中智能傳感器網(wǎng)絡(luò)是是空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一[2]。Neil Gross將傳感器網(wǎng)絡(luò)描述為“行星地球上附著的一層電子皮”。

在信息技術(shù)和傳感器技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，每天都可以通過各種遙感傳感器接收到信息量極為豐富的多源遙感數(shù)據(jù)源，這為遙感定量化、動(dòng)態(tài)化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化及利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行城市各種資源的管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和服務(wù)提供了數(shù)據(jù)保障。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)化和信息化融合的產(chǎn)物

物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是近年來正在迅猛發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，是通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[5]。具體地說，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的互聯(lián)互通。

物聯(lián)網(wǎng)是以感知為目的的“物物互聯(lián)”，已成為“智慧地球”的核心部分[6]。美國 START-IT雜志和M 2M雜志將物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)分為6大支柱應(yīng)用，分別為遙感監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程通信與信息處理、智能服務(wù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID和遠(yuǎn)程控制等[7]。物聯(lián)網(wǎng)的具體用途還遍及智能交通環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理、人生健康、花卉栽培、水系監(jiān)測(cè)、食品溯源、敵情偵查和情報(bào)搜集等應(yīng)用領(lǐng)域中。借助物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人類可以提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。

2.4 全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)

IP規(guī)定了計(jì)算機(jī)在因特網(wǎng)上進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)則，任何廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只要遵守IP協(xié)議就可以與因特網(wǎng)互聯(lián)互通。未來的網(wǎng)絡(luò)將是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，全I(xiàn)P能無縫集成各種接入方式，將寬帶、移動(dòng)因特網(wǎng)和現(xiàn)有的無線系統(tǒng)都集成到IP層中，通過一種網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供所有通信服務(wù)，并為運(yùn)營商帶來許多好處，如節(jié)省成本，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和靈活性，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作效率，創(chuàng)造新的收入機(jī)會(huì)等。

物聯(lián)網(wǎng)由統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)、智能傳感器網(wǎng)以及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。智能傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和事務(wù)監(jiān)督系統(tǒng)，它利用各種儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)物體的自動(dòng)識(shí)別，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由本地網(wǎng)絡(luò)和全球互聯(lián)網(wǎng)組成，是實(shí)現(xiàn)信息管理、信息流通的功能模塊。

全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)集智能傳感網(wǎng)、智能控制網(wǎng)、智能安全網(wǎng)的特性于一體，真正做到將識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控、管理等智能化。國際電聯(lián)曾預(yù)測(cè)，未來世界是無所不在的物聯(lián)網(wǎng)世界，到2017年，將有7萬億傳感器為地球上的70億人口提供服務(wù)，通過集成有線光纖、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)以及用戶的固定/游牧/移動(dòng)式應(yīng)用，構(gòu)建一個(gè)無處不在的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

3 智慧城市的基礎(chǔ)理論

智慧城市是城市全面數(shù)字化基礎(chǔ)之上建立的可視化和可量測(cè)的智能化城市管理和運(yùn)營，包括城市的信息、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施以及在此基礎(chǔ)上建立網(wǎng)絡(luò)化的城市信息管理平臺(tái)與綜合決策支撐平臺(tái)。智慧城市的理論是智慧城市應(yīng)用和實(shí)踐的基礎(chǔ)。

3.1 智慧城市的特征

把數(shù)字城市和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來的所形成的智慧城市將具備以下一些特征[3]：

1）“智慧城市”是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能城市。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其核心與基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，它將網(wǎng)絡(luò)用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，相互之間可以進(jìn)行信息的交換和通訊[5]。物聯(lián)網(wǎng)的 3個(gè)基本特征：①全面感知：即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息；②可靠傳遞：通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去；③智能處理：利用云計(jì)算，模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化的控制。

2）“智慧城市”面向應(yīng)用和服務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，與以往的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比,它更多的是以數(shù)據(jù)為中心。由微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則一般是為了某個(gè)特定的需要設(shè)計(jì)的，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序不同的是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是針對(duì)某一特定的應(yīng)用,是一種基于應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，將其傳送到需要這些信息的用戶。

3）“智慧城市”與物理城市融為一體。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，各節(jié)點(diǎn)內(nèi)置有不同形式的傳感器，用以測(cè)量熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)等，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以人為中心，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則是以數(shù)據(jù)為中心。

4）“智慧城市”能實(shí)現(xiàn)自主組網(wǎng)、自維護(hù)。一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中可能包括成百上千或者更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過隨機(jī)撒播等方式進(jìn)行安置。對(duì)于由大量節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)而言，手工配置是不可行的。因此,網(wǎng)絡(luò)需要具有自組織和自動(dòng)重新配置能力。同時(shí)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)或者局部幾個(gè)節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境改變等原因而失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)能隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。因此，要求網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備維護(hù)動(dòng)態(tài)路由的功能,，才能保證網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而癱瘓。

3.2 智慧城市的架構(gòu)

智慧城市的核心是以一種更智慧的方法通過利用以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等為核心的新一代信息技術(shù)來改變政府、企業(yè)和人們相互交往的方式，對(duì)于包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務(wù)、工商業(yè)活動(dòng)在內(nèi)的各種需求做出快速、智能的響應(yīng)，提高城市運(yùn)行效率，為居民創(chuàng)造更美好的城市生活。從功能角度來看，智慧城市的架構(gòu)應(yīng)包含4個(gè)層次：1）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層，該層是智慧地球的神經(jīng)末梢，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、射頻標(biāo)簽、手機(jī)、個(gè)人電腦、PDA、家電、監(jiān)控探頭等；2）基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐層，該層是泛在的融合的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)保障，體現(xiàn)出信息化和工業(yè)化的融合，包括無線傳感網(wǎng)、P2P網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)格計(jì)算網(wǎng)、云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)；3）基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層，該層包括Internet網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、3G等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；4）應(yīng)用層，該層包括各類面向視頻、音頻、集群調(diào)度、數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用。圖3為智慧城市的架構(gòu)圖。

圖3 智慧城市的架構(gòu)圖

3.3 智慧城市的模型

智慧城市的模型可以用 ISGBP模型進(jìn)行描述，ISGBP模型由5個(gè)部分組成：分別是公共基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）、服務(wù)（Service）、政府（Government）、企業(yè)（Business）、公眾（Public）。政府、企業(yè)、公眾是城市的主體，他們?nèi)咄ㄟ^智能服務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)形成良好的互動(dòng)，從而降低行政成本，提高綜合效益。ISGBP模型強(qiáng)調(diào)智能服務(wù)的核心地位，將服務(wù)進(jìn)一步分為：數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)和模型服務(wù)，并提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能服務(wù)的概念。

在這個(gè)模型中，更加強(qiáng)調(diào)政府、企業(yè)、公眾三者的協(xié)作，它們通過基于物聯(lián)網(wǎng)的智能服務(wù)形成良好的互動(dòng)。如圖 4所示的武漢智能城市模型是全要素、全時(shí)段、全覆蓋的智能化的城市管理和諧新模式，它依賴智能化的手段，圍繞提供優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)，充分調(diào)動(dòng)政府、企業(yè)（社會(huì)單位）、市民（社區(qū)）三者之間的和諧互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)城市管理智能化與行業(yè)管理網(wǎng)格化的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)條塊資源整合與聯(lián)動(dòng)，建立政府監(jiān)督協(xié)調(diào)、企業(yè)規(guī)范運(yùn)作、市民廣泛參與的聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

在該模型中公共基礎(chǔ)設(shè)施（I）是物，政府（G）、企業(yè)（B）和公眾（P）是人，這四者之間存在多種相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系，如：G-I關(guān)系、B-I關(guān)系、P-I關(guān)系、GB關(guān)系、G-P關(guān)系、B-P關(guān)系、B-B關(guān)系、P-P關(guān)系等，這些關(guān)系都是通過智能服務(wù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，每種關(guān)系在模型中都表現(xiàn)成一系列具體的服務(wù)，而各種具體的服務(wù)之間又可能相互組合形成更高層次的服務(wù)和更復(fù)雜的關(guān)系，最終形成一個(gè)立體交叉的智能服務(wù)體系。

4 智慧城市典型應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)踐

智慧城市通過IP地址整合相關(guān)資源，使城市的運(yùn)轉(zhuǎn)更加智能化。智慧城市給城市的各行各業(yè)都帶來了更有意義的、嶄新的發(fā)展契機(jī)，這里列出一些具體的典型應(yīng)用和實(shí)踐。

圖4 智慧城市模型

1）基于智慧城市的網(wǎng)格化管理與服務(wù)。智慧城市可以更有效地實(shí)現(xiàn)城市網(wǎng)格化管理和服務(wù)。例如，武漢市有200多萬個(gè)部件設(shè)施，800多萬人，每年超過60萬件事情，我們可以通過智能采集數(shù)據(jù)、智能分析，將些部件設(shè)施、人口、事件進(jìn)行有效的管理和服務(wù)。

2）基于智慧城市的智能交通。智能交通系統(tǒng)通過對(duì)傳統(tǒng)交通系統(tǒng)的變革，提升交通系統(tǒng)的信息化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化，智能采集交通信息、流量、噪音、路面、交通事故、天氣、溫度等，從而保障人、車、路與環(huán)境之間的相互交流，進(jìn)而提高交通系統(tǒng)的效率、機(jī)動(dòng)性、安全性、可達(dá)性、經(jīng)濟(jì)性，起到保護(hù)環(huán)境，降低能耗的作用。又如，泰州市基于車載移動(dòng)傳感器，采集了1100多 km全市可量測(cè)實(shí)景影像和4萬個(gè)興趣點(diǎn)，同電子地圖、正射影像一起，面向服務(wù)架構(gòu)發(fā)布成公眾服務(wù)，為老百姓和游客的衣食住行提供更便捷的服務(wù)，如圖5所示。

圖5 泰州市面向公眾服務(wù)的可量測(cè)實(shí)景影像服務(wù)

3）基于智慧城市的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)?；谥腔鄢鞘械倪h(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)：視頻服務(wù)，比如遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程培訓(xùn)和遠(yuǎn)程視頻會(huì)議等；短信服務(wù)，比如即時(shí)通信；信息實(shí)時(shí)取得服務(wù)，比如醫(yī)學(xué)研究資料庫實(shí)時(shí)使用；多媒體數(shù)據(jù)庫服務(wù)，比如電子病歷和影像處理等；無線城域網(wǎng)接入，比如緊急救護(hù)無線通信；無線局域網(wǎng)接入，比如醫(yī)院內(nèi)部通信等；端到端的系統(tǒng)集成應(yīng)用。圖6為基于智慧城市的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)。

圖6 基于智慧城市的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)

4）基于智慧城市的數(shù)字家庭應(yīng)用。數(shù)字家庭是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，各種家電通過不同的互連方式進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)家用電器和其他家用品之間的“互聯(lián)互通”，不論我們?cè)谑覂?nèi)還是在戶外，通過物聯(lián)網(wǎng)和各種接入終端，可以讓每個(gè)家庭都能感受到智慧地球的信息化成果。

5）基于智慧城市的城市公共安全服務(wù)。城市公共安全服務(wù)也是智慧城市的典型應(yīng)用之一，基于智慧城市建立的城市公共安全服務(wù)可以有效實(shí)現(xiàn)住宅小區(qū)、交通設(shè)施、校園、城市工地等的安防監(jiān)控。圖7為基于智慧城市的城市公共安全服務(wù)。

圖7 基于智慧城市的城市公共安全服務(wù)

6）智慧城市其他方面的典型應(yīng)用。智慧城市其他方面的典型應(yīng)用和實(shí)踐還包括基于智慧城市的戶外流媒體服務(wù)和基于智慧城市的城市應(yīng)急聯(lián)動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。未來的智慧城市將能夠?qū)崿F(xiàn)便民利民、消除城鄉(xiāng)差距、提升政府效率、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及治安安防等的全面智能化。

5 結(jié) 語

數(shù)字城市（CyberCity）為城市規(guī)劃、智能化交通、網(wǎng)格化管理和服務(wù)、基于位置的服務(wù)、城市安全應(yīng)急響應(yīng)等創(chuàng)造了條件，是信息時(shí)代城市和諧發(fā)展的重要手段，數(shù)字城市加上物聯(lián)網(wǎng)可走向智慧城市，智慧城市支持人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的參與和溝通，提供面向IP的靈性服務(wù)。本文總結(jié)了數(shù)字城市的總體架構(gòu)、發(fā)展以及所取得的成就，圍繞智能傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)，提出了順應(yīng)數(shù)字地球到智慧地球的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)字城市必將發(fā)展到智慧城市的趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了基于全I(xiàn)P架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)框架，實(shí)踐了基于智慧城市的相關(guān)行業(yè)的典型應(yīng)用，展望了未來數(shù)字城市的美好前景。

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Theory and Practice from Digital City to Smart City

by LI Deren

This paper summarized the achievements in construction and development of the Smart City based on the wave of Internet of things including smart sensor networks and earth observation networks.This paper probed the inevitable trends and the basic theories of the development from Cyber City to Smart City,at the same time, this paper implemented the typical applications of the Smart City and also predicted the wonderful prospect of it.

Cyber City，smart sensor network，earth observation network，IOT，Smart City

2011-07-12

項(xiàng)目來源：國家863計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2009AA121404）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目 (111056)。

P208

B

1672-4623(2011)06-0001-05

李德仁，中國科學(xué)院院士，中國工程院院士，國際歐亞科學(xué)院院士，武漢大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要從事以遙感 (RS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)和地理信息系統(tǒng) (GIS)為代表的空間信息科學(xué)與多媒體通訊技術(shù)的教學(xué)和科研工作。